Фильтрация шумов в растровых изображениях методами усредняющего, порогового и медианного фильтров

Белорусский Государственный Университет

Информатики и Радиоэлектроники Контрольная работа

по

МАГИ

Выполнил студент

группы 500501

Балахонов Е.В.

Задание.

Создать программу, осуществляющую фильтрацию шумов в растровых изображениях методами усредняющего, порогового и медианного фильтров.

Програма написана на языке Object Pascal и выполняется в среде Win32. Общий вид программы показан на рис. № 1.

Рис. № 1. Общий вид главного окна программы.

Рис. № 2. Общий вид главного окна программы c

загруженным исходным изображением.

1. Усредняющий фильтp.

Алгоритм работы усредняющего фильтра заключается в замене значения яркости в

текущем пикселе на среднюю яркость, вычисленную по его 8 окрестностям, включая и сам элемент. Этот фильтр является самым простым. К недостаткам его можно отнести сглаживание ступенчатых и пилообразных функций. Кроме того пиксели, имеющее существенно отличное значение яркости и являющимися шумовыми могут вносить значительный вклад в результат обработки.

Реализация фильтра представлена в виде процедуры:

Procedure AverageFilter(Value:Integer);

 Данная процедура осуществляет алгоритм усредняющего фильтра применительно к объекту TBitmap. В него предварительно должна быть загружено изображение (Рис. № 2). Результат работы усредняющего филтра можно увидеть на рис. № 3. Параметр Value – порог при котором производятся манипуляции с пикселом.

Procedure TMainForm.AverageFilter;

var

 PrevisionLine:pByteArray;

 CurrentLine:pByteArray;

 NextLine:pByteArray;

 I,J:Integer;

 Summ:Integer;

begin

 if Image1.Picture.Bitmap.PixelFormat = pf8bit then

 begin

for I := 0 to Image1.Picture.Bitmap.Height - 1 do

begin

CurrentLine := Image1.Picture.Bitmap.ScanLine[I];

for J := 0 to Image1.Picture.Bitmap.Width - 1 do

begin

Summ := 0;

if I > 0 then

begin

PrevisionLine := Image1.Picture.Bitmap.ScanLine[I - 1];

if J > 0 then

begin

Summ := Summ + PrevisionLine^[J - 1];

end;

Summ := Summ + PrevisionLine^[J];

if J + 1 < Image1.Picture.Bitmap.Width then

begin

Summ := Summ + PrevisionLine^[J + 1];

end;

end;

if J > 0 then

begin

Summ := Summ + CurrentLine^[J - 1];

end;

Summ := Summ + CurrentLine^[J];

if J + 1 < Image1.Picture.Bitmap.Width then

begin

Summ := Summ + CurrentLine^[J + 1];

end;

if I + 1 < Image1.Picture.Bitmap.Height then

begin

NextLine := Image1.Picture.Bitmap.ScanLine[I + 1];

if J > 0 then

begin

Summ := Summ + NextLine^[J - 1];

end;

Summ := Summ + NextLine^[J];

if J + 1 < Image1.Picture.Bitmap.Width then

begin

Summ := Summ + NextLine^[J + 1];

end;

end;

if (Summ div 9) <= Value then

CurrentLine^[J] := Summ div 9;

end;

end;

Image1.Visible := False;

Image1.Visible := True;

N4.Enabled := True;

 end

 else

MessageBox(Handle,'Такой формат файла пока не подерживается...',

'Слабоват я пока...',MB_OK or MB_ICONSTOP or MB_APPLMODAL);

end;

Рис. № 3. Результат работы усредняющего фильтра.

2. Пороговый фильтр.

Пороговый фильтр является модификацией усредняющего, и отличие заключается

том, что замена значения яркости на среднее производится толь-ко в том случае, если разность между значением яркости и полученным сред-ним превышает установленный порог. Выбор порога осуществляется в специальном диалоговом окне (Рис. 4). Для произведения фильтрации используется процедура AverageFilter, показанная в пункте 1.

Рис. № 4.Выбор коэффициента усреднения порогового фильтра.

Рис. № 5. Результат работы порогового фильтра.

3. Медианный фильтр.

Одномерный медианный фильтр пред-ставляет собой скользящее окно охватывающее нечетное число элементов изо-бражения. Центральный элемент заменяется медианой элементов изображения в окне. Медианой дискретной последовательности М элементов при нечетном 1 называют элемент, для которого существует (М-1)/2 элементе меньших или равных ему по величине и (М-1)/2 элементов больших или равных ему по ве-личине.

Медианный фильтр в одних случаях обеспечивает подавление шума, а в других - вызывает нежелательное подавление сигнала. Медианный фильтр не влияет на пилообразные и ступенчатые функции, что обычно является полез-ным свойством, однако он подавляет импульсные сигналы, длительность которых составляет менее половины ширины окна. Фильтр также вызывает уплощение вершины треугольной функции.

Возможны различные стратегии применения медианного фильтра для подавления шумов. Одна из них рекомендует начинать с медианного фильтра, окно которого охватывает три элемента изображения. Если ослабление сигнала незначительно, то окно расширяется до пяти элементов. Так поступают до тех пор, пока медианная фильтрация начнет приносить больше вреда, чем пользы. Другая возможность состоит в каскадной медианной фильтрации сигнала с использованием фиксированной или изменяемой ширины окна. В общем случае те области, которые остаются без изменения после однократной обработки, не меняются и после повторной обработки. Области, в которых длительность им-пульсных сигналов составляет менее половины ширины окна, будут подвер-гаться изменениям после каждого цикла обработки. Концепцию медианного фильтра можно легко обобщить на два измерения, применяя окно прямоугольной или близкой к круговой формы.

Для реализации медианного фильтра используется следующий код:

procedure TMainForm.N16Click(Sender: TObject);

var

 PixelArray:array of Byte;

 Value:Byte;

 CurrentLine:pByteArray;

 BoxCurrentLine:pByteArray;

 Vert,Hor:Integer;

 VertB,HorB:Integer;

 Counter:Integer;

 Temp:Byte;

begin

 ValueForm.Caption := 'Размер окна фильтра n X n';

 ValueForm.TrackBar1.Min := 3;

 ValueForm.TrackBar1.Max := 9;

 ValueForm.TrackBar1.Frequency := 2;

 ValueForm.Edit1.ReadOnly := True;

 if ValueForm.Execute(Value) then

 begin

SetLength(PixelArray,Value*Value);

if Image1.Picture.Bitmap.PixelFormat = pf8bit then

begin

for Vert := 0 to Image1.Picture.Bitmap.Height - 1 do

begin

CurrentLine := Image1.Picture.Bitmap.ScanLine[Vert];

for Hor := 0 to Image1.Picture.Bitmap.Width - 1 do

begin

// Заносим все пиксели окошка в массив

Counter := 0;

for VertB := (Vert - (Value div 2)) to (Vert + (Value div 2)) do

begin

if (VertB >= 0) and (VertB < Image1.Picture.Bitmap.Height) then

BoxCurrentLine := Image1.Picture.Bitmap.ScanLine[VertB];

for HorB := (Hor - (Value div 2)) to (Hor + (Value div 2)) do

begin

if (HorB >= 0) and (VertB >= 0) and

(HorB < Image1.Picture.Bitmap.Width) and

(VertB < Image1.Picture.Bitmap.Height) then

PixelArray[Counter] := BoxCurrentLine^[HorB]

else

PixelArray[Counter] := 0;

Inc(Counter);

end;

end;

// Сортируем массив

for VertB := 0 to Value*Value - 1 do

begin

for HorB := VertB to Value*Value - 1 do

begin

if PixelArray[VertB] > PixelArray[HorB] then

begin

Temp := PixelArray[VertB];

PixelArray[VertB] := PixelArray[HorB];

PixelArray[HorB] := Temp;

end;

end;

end;

// Берем то что посередине и присваиваем текущему пикселю

CurrentLine^[Hor] := PixelArray[((Value*Value) div 2) + 1];

end;

end;

Image1.Visible := False;

Image1.Visible := True;

N4.Enabled := True;

end

else

MessageBox(Handle,'Такой формат файла пока не подерживается...',

'Слабоват я пока...',MB_OK or MB_ICONSTOP or MB_APPLMODAL);

 end;

end;

Результат работы фильтра можно увидеть на рис. № 6.

Рис. № 6. Начало работы медианного фильтра – запрос на размер окна фильтра.

Рис. № 7.Результат работы медианного фильтра с окном 3 на 3.

4. Заполнение объекта другим цветом.

Для упрощения алгоритма слудующая процедура заполняет графические объекты только белым цветом, однако путем простого добавления диалогового окна с вопросом о цвете заполнения можно добиться заполнения объектов любым цветом.

procedure TMainForm.Image1MouseDown(Sender: TObject; Button: TMouseButton;

Shift: TShiftState; X, Y: Integer);

var

 TargetPixel:Byte;

 ChangeCount:Integer;

 CurrentLine:pByteArray;

 PrevLine:pByteArray;

 NextLine:pByteArray;

 YOffset, XOffset:Integer;

begin

 if Image1.Picture.Bitmap.PixelFormat = pf8bit then

 begin

// Запоминаем значение пиксела на котором щелкнули мышкой

TargetPixel := pByteArray(Image1.Picture.Bitmap.ScanLine[Y])^[X];

YOffset := 0;

// Пока число замен не станет равным 0 двигаемся вверх

repeat

ChangeCount := 0;

if Y - YOffset < 0 then

Break;

// Берем линию

CurrentLine := Image1.Picture.Bitmap.ScanLine[Y - YOffset];

PrevLine := Image1.Picture.Bitmap.ScanLine[Y - YOffset - 1];

if PrevLine[X] <> TargetPixel then

Break;

XOffset := 0;

// Заполняем влево ее пока не дойдем до границы объекта

if X - 1 >= 0 then

while CurrentLine^[X - XOffset - 1] = TargetPixel do

begin

CurrentLine^[X - XOffset] := 255;

Inc(XOffset);

Inc(ChangeCount);

if X - XOffset - 1 < 0 then

Break;

end;

XOffset := 0;

// Заполняем вправо ее пока не дойдем до границы объекта

if X + 1 < Image1.Picture.Bitmap.Width - 1 then

while CurrentLine^[X + XOffset + 1] = TargetPixel do

begin

CurrentLine^[X + XOffset] := 255;

Inc(XOffset);

Inc(ChangeCount);

if X + XOffset + 1 > Image1.Picture.Bitmap.Width - 1 then

Break;

end;

Inc(YOffset);

until ChangeCount = 0;

YOffset := 1;

// Пока число замен не станет равным 0 двигаемся вниз

repeat

ChangeCount := 0;

if Y + YOffset > Image1.Picture.Bitmap.Width - 1 then

Break;

// Берем линию

CurrentLine := Image1.Picture.Bitmap.ScanLine[Y + YOffset];

NextLine := Image1.Picture.Bitmap.ScanLine[Y + YOffset + 1];

if NextLine[X] <> TargetPixel then

Break;

XOffset := 0;

// Заполняем влево ее пока не дойдем до границы объекта

if X - 1 >= 0 then

while CurrentLine^[X - XOffset - 1] = TargetPixel do

begin

CurrentLine^[X - XOffset] := 255;

Inc(XOffset);

Inc(ChangeCount);

if X - XOffset - 1 < 0 then

Break;

end;

XOffset := 0;

// Заполняем вправо ее пока не дойдем до границы объекта

if X + 1 < Image1.Picture.Bitmap.Width - 1 then

while CurrentLine^[X + XOffset + 1] = TargetPixel do

begin

CurrentLine^[X + XOffset] := 255;

Inc(XOffset);

Inc(ChangeCount);

if X + XOffset + 1 > Image1.Picture.Bitmap.Width - 1 then

Break;

end;

Inc(YOffset);

until ChangeCount = 0;

Image1.Visible := False;

Image1.Visible := True;

 end;

end;

Результаты работы программы можно увидеть на рис. № 8 и № 9.

Рис. № 8. Исходное изображение для заполнения.

Рис. № 9. Результат заполнения.

5. Инверсия.

Ну и напоследок сделаем инверсию нашего изображения (Рис. 10, 11):

procedure TMainForm.N7Click(Sender: TObject);

var

 Line:pByteArray;

 I,J:Integer;

 Bits:Byte;

begin

 Bits := 1;

 for I :=0 to Image1.Picture.Bitmap.Height - 1 do

 begin

Line := Image1.Picture.Bitmap.ScanLine[I];

case Image1.Picture.Bitmap.PixelFormat of

pf4bit:Bits := 1;

pf8bit:Bits := 1;

pf15bit:Bits := 2;

pf16bit:Bits := 2;

pf24bit:Bits := 3;

pf32bit:Bits := 4;

end;

for J :=0 to Image1.Picture.Bitmap.Width * Bits - 1 do

Line^[J] := 255 - Line^[J];

 end;

 Image1.Visible := False;

 Image1.Visible := True;

 N4.Enabled := True;

end;

Рис. № 10. Исходное изображение для инверсии.

Рис. № 11. Результат инверсии изображения.